脉冲辐射探测技术

脉冲辐射探测是探知核反应过程特征信息的主要途径之一,是核反应过程特性研究、核装置设计、运行、监测与控制不可或缺的技术手段。由核探测器、探测方法和应用技术等构成的脉冲辐射场探测技术,已成为科学研究、核技术应用、核材料分析、裂变/聚变研究和天体物理等相关核科学研究的必备技术元素。文章介绍了我国发展的瞬态核裂变、核聚变反应过程释放的脉冲中子、伽马混合辐射场探测系统和测量技术。     

强流瞬态脉冲辐射场伽马射线探测技术

脉冲辐射场伽马射线探测是诊断强流脉冲辐射装置工作状态、辐射产生物理机制和过程规律信息的主要途径之一,是各类型辐射装置设计优化、运行监测与控制以及辐射场应用研究不可缺少的技术手段.本文从探测技术原理、探测器技术及其发展等方面介绍强流脉冲伽马辐射场射线探测技术概况,供脉冲辐射场测量与诊断研究借鉴参考.     

用Monte Carlo方法模拟HPGe单能光子能量响应函数

为了弥补用于HPGe探测器低能相对探测效率刻度、单能光子在HPGe探测系统上的能量全响应函数拟合实验数据不足的缺点,采用Monte Carlo方法模拟了一系列单能光子在该探测器上能量响应曲线。比较分析这些能量响应曲线,研究该探测器能量响应曲线随入射能量变化特征,并获得了能量响应曲线特征数据,为探测器低能区域相对探测效率刻度、单能光子在HPGe探测系统上的能量响应函数拟合,提供了可靠的研究数据。     

星载空间目标可见光探测系统探测能力研究

衡量星载空间目标可见光探测系统的探测能力的主要技术指标是信噪比。探测系统的信噪比与探测器噪声特性、空间目标光度特性、天空背景特性、目标距离等因素有关。从信噪比的角度出发,根据光度学和辐射度学的基本原理以及CMOS图像探测器的噪声特性,建立了CMOS可见光探测系统的信噪比数学模型,然后根据Johnson法则,得出系统探测距离与系统探测信噪比之间的关系。最后利用MATLAB在可见光500~600 nm谱段对数学模型进行仿真计算,用绘图显示了系统探测能力与系统信噪比、积分时间之间的关系,并在给定参数和条件下算出系统的极限探测距离。推导出的数学模型和计算结果可以为星载空间目标可见光探测系统探测能力的分析和估计提供理论计算方法。     

碳氧比能谱测井中能谱及探测器响应的数值模拟

利用蒙特卡罗中子-粒子(MCNP)联合输运程序，对在井几何条件下地层中碳、氧、硅、钙等元素发生非弹性散射产生的伽马射线的测量谱及不同探测器的响应进行了模拟。结果表明，同种尺寸的BGO探测器比NaI(TI)探测器的探测效率大；在谱处理过程中BGO探测器选择光电峰和第一逃逸峰的和作为特征能窗，而NaI(T1)探测器以光电峰和第一、第二逃逸峰的和作为特征能窗。探测效率以及伽马光子计数与源距关系的模拟结果显示，长源距探测器晶体几何体积应为短源距探测器晶体体积的8倍左右时，二者才具有相当的测量精度。此模拟结果与实验谱具有较好的一致性，这为碳氧比能谱测井的谱处理奠定了基础。     

毫米波综合孔径辐射图像平均噪声功率特性

针对强点源目标探测时灵敏度近似解析值与实际值偏差较大,不利于成像探测系统的性能表征问题,从毫米波综合孔径辐射图像全局入手,应用矩阵理论对图像平均噪声功率进行研究.建立了图像平均噪声功率与系统参数之间的关系,在此基础上提出均方灵敏度的概念.仿真结果表明:均方灵敏度受观测场景亮温分布的影响小,仅依赖于系统参数,更适合表征毫米波综合孔径成像探测系统性能.     

脉冲调频波探测性能分析

利用模糊函数模糊图,对脉冲调频波形的探测性能进行分析,就波形的调频步长、子脉冲宽度、调制频偏等参数对测距性、测速性以及抗干扰性能的影响进行了分析与探讨,特别就波形参数脉冲重复周期与子脉冲宽度之比H对模糊图的影响进行了详细地分析.在此基础上得出脉冲调频探测的距离、速度分辨力、测距精度、测速精度等表达式,结果可为波形设计提供依据.     

碳氧比能谱测井中能谱及探测器响应的数值模拟

利用蒙特卡罗中子粒子(MCNP)联合输运程序,对在井几何条件下地层中碳、氧、硅、钙等元素发生非弹性散射产生的伽马射线的测量谱及不同探测器的响应进行了模拟。结果表明,同种尺寸的BGO探测器比NaI(Tl)探测器的探测效率大;在谱处理过程中BGO探测器选择光电峰和第一逃逸峰的和作为特征能窗,而NaI(Tl)探测器以光电峰和第一、第二逃逸峰的和作为特征能窗。探测效率以及伽马光子计数与源距关系的模拟结果显示,长源距探测器晶体几何体积应为短源距探测器晶体体积的8倍左右时,二者才具有相当的测量精度。此模拟结果与实验谱具有较好的一致性,这为碳氧比能谱测井的谱处理奠定了基础。     

强脉冲X射线场中散射能谱获取方法

通过对X射线与物质相互作用后产生的散射能谱的分析,可实现物质原子序数的提取,并可用于核材料等违禁品的探测。然而,高能X射线的特性对探测系统的屏蔽和时间响应提出了要求。该文提出了一种能够对脉冲X射线的散射能谱进行采集的实验方案:以LaBr3(Ce)晶体为X射线探测器来实现<100ns的散射光子分辨时间,以减少在5μs脉冲出束时间内的脉冲堆积问题;利用120MHz/14位的高采样率ADC(analog-digital converter)电路来采集前放电路的输出脉冲波形,并设计相应的离线算法将该波形数据重建为散射能谱;设计了合适的屏蔽结构,减少了来自加速器靶点的直接透射X射线和环境散射X射线对探测器的影响。利用该方案对11种具有不同原子序数的物质进行了测量,得到了它们的散射能谱,在511keV峰能量分辨率可达到5%左右。     

电磁推迟相互作用与光的高阶受激辐射和吸收过程的时间反演对称性破坏

采用量子力学微扰论方法证明, 尽管量子力学运动方程和辐射场与带电粒子的电磁相互作用Hamiltonian量在时间反演下保持不变, 考虑到辐射场的推迟效应(多极矩效应)后, 光的高阶受激辐射和受激吸收过程是破坏时间反演对称性的. 产生时间反演对称性破坏的原因在于, 束缚态原子不同能级间的跃迁要满足能量守恒关系, 以及束缚态原子本身的某些特殊性质, 导致某些跃迁子过程被禁戒或无法实现, 从而使另外一些可实现的跃迁子过程的时间反演对称性被破 坏. 这些可实现的跃迁子过程就是实际观察到的物理过程, 它们一般是不可逆的. 时间反演对称性破坏也与束缚态原子在时间反演前后初始态的不对称有关, 对于能级连续分布的非束缚态带电粒子与辐射场间的相互作用, 就不存在这种时间反演对称性破坏. 因此考虑辐射场的推迟效应和高阶修正后, 光的受激辐射和受激吸收系数是不一样的, 这种修正能为非平衡态激光物理学和非线性光学提供更为合理的理论基础.     

设计参数对脉冲等离子体推力器性能的影响

脉冲等离子体推力器的性能受电气参数、结构设计参数等方面的影响.针对脉冲等离子体推力器效率低的问题进行了理论分析并设计实验进行了验证,研究了设计参数与推力器性能之间的关系.结果表明,推力与放电电流有密切的关系,而脉冲等离子体推力器的电极间距、放电能量等设计参数对推力、放电电流等又有较大的影响.实验结果对设计高性能的推力器有参考价值.     

GS-DFB半导体激光器的优化设计

对ＧＳＤＦＢ半导体激光器的参数进行了优化设计。采用脉冲峰值功率、脉宽、谱宽、脉宽谱宽积以及峰值功率与脉宽谱宽积之比等参数来综合描述激光器输出脉冲特性,研究了这些参数随偏置电流、调制电流等外部参数的变化,并找出了相应的优化值。     

脉冲射线束成像关键技术

脉冲射线束成像是研究惯性约束聚变等核反应装置性能的核心测量技术之一,测量对象为MeV中子、伽马射线束,时间尺度从ns到μs,空间尺度从亚mm到10 cm.本文介绍了西北核技术研究所近年来在发展脉冲射线束成像技术、研制成像系统所取得的主要进展.设计了非对顶双截锥大视场厚针孔和高探测效率编码孔,发展了大面积图像转换屏和阵列式中子图像转换屏,研究了MeV中子、伽马射线束图像转换屏的基本性能,提出了选通型像增强器基本设计要求,系统研究了快响应像增强器的时间选通特性和空间分辨特性,基于一种特殊的全局快门驱动时序设计,研发了百ns曝光双帧CMOS相机,研制了一种针对百ns时间尺度射线源的触发与时间关联系统,包括触发探测器、定时探测器、同步机和快门发生器等,与射线源特征时间关联精度一般为3–5 ns.对超快时间分辨、超高空间分辨、高维成像等脉冲射线束成像技术发展方向进行了讨论.     

温度对LiNbO3晶体THz辐射产生效率的影响

利用超短激光脉冲泵浦电光晶体LiNbO₃产生脉冲THz辐射, 并用非线性光学差频原理解释了THz的产生机制. 改变泵浦激光能量, 实验结果表明, THz脉冲波形的最大振幅与泵浦激光能量为平方关系, 随泵浦能量的增大, 晶体温度逐渐升高, 增加了对所产生THz辐射的吸收, 并逐渐偏离平方关系. 通过降低晶体温度, 减小TO声子-极化子因非谐振衰减为两个声学声子而引起的THz吸收, 提高了THz的产生效率.      

基于高速摄影术的聚焦Nd：YAG脉冲激光水下空化效应实验研究

采用高速摄影术准确记录聚焦脉冲Nd：YAG激光水下诱导空化泡动态变化进程,同时采用针式水听器探测空泡闭合或等离子体膨胀时辐射的冲击波信号.实验结果表明,当针式水听器端面和聚焦点间距逐渐减小时,相同实验条件下,探测到的声学信号个数增多且信号强度增强.激光脉冲结构、能量、脉宽等激光参数直接决定单个激光脉冲诱导空泡个数、形貌以及等离子体膨胀和空泡闭合时辐射的声学信号特性.实验结果可为短脉冲激光在临床医学上的运用提供理论与实践支持.     

分光镜法激光脉冲展宽器的研制

在激光分离同位素、激光化学、激光导星（人造星）技术等领域,为了提高脉冲激光的利用效率,需将激光脉冲展宽。介绍了各种光学方法展宽激光脉冲的基本原理,并对由分光镜和反射镜组成的激光脉冲展宽器进行了具体的实验研究,这种展宽器被设计成将脉宽为２０～２５ｎｓ的染料激光脉宽展宽１倍左右。它把原始脉冲分成４个独立的子脉冲,每个子脉冲的幅值是原始脉冲的１／４,但时间序列相继延迟７～１０ｎｓ,然后通过合光镜把这些子脉冲首尾相接堆积成一个脉冲。实验结果表明,脉冲持续时间可增加２０～３０ｎｓ,在波长为５７０～６００ｎｓ的染料激光能量转换效率达８０％以上,对某些波长的能量转换效率甚至超过９０％。     

基于FPGA的非线性节点探测系统

为了实现对非线性节点元件的探测,根据非线性半导体PN结的再辐射特性,利用FPGA对信号高速处理的能力,判别是否产生二次谐波信号,来设计并完成基于FPGA的非线性节点探测系统。测试结果表明:该FPGA系统性能完全能满足非线性节点探测中信号处理实时性要求。该研究对非线性节点探测系统的设计具有一定的参考价值。     

正窄脉冲电参数对脉冲电晕脱硫影响的研究

基于自行研制的毫微秒级超窄脉冲电源，研究了电源放电回路参数和超窄脉冲电参数对脉冲电晕等离子体脱硫的影响．研究表明，脉冲上升时间是脉冲电源的一个主要参数，上升时间对SO2脱除影响比脉宽的影响大，增加脉冲电压上升时间和减小脉宽，都将降低脱硫量．在综合考虑脱硫效率和能量利用率的基础上，提出了优化脉冲供能对窄脉冲电参数的要求和窄脉冲电源的设计特性指标．     

正窄脉冲电参数对脉冲电晕脱硫影响的研究

基于自行研制的毫微秒级超冲电源，研究了电源放电回路参数和超窄脉冲电参数对脉冲电晕等离子体脱硫的影响，研究表明，脉冲上升时间是脉冲电源的一个主要参数，上升时间对ＳＯ２脱除影响比脉宽的影响大，增加脉冲电压上升时间和减小脉宽，都将降低脱硫量，在综合考虑脱硫效率和能量利用率的基础上，提出了优化脉冲供能对窄脉冲电参数的要求和窄脉冲电泳的设计特性指标。     

基于FPGA和DSP的激光探测器设计

介绍了一种基于DSP和FPGA的激光探测器设计,其中FPGA主要实现对激光脉冲信号进行探测、整形,并对脉冲到达时间、脉冲宽度等参数进行测量,DSP完成对信号的分选以及编码识别,实现了对激光脉冲信号的探测.通过硬件设计、软件编程以及系统仿真测试,证明该系统具有性能稳定、精度高等优点.